1.6.6. Електрична очистка газів

Спосіб електричної очистки газів від зважених частинок полягає у викорис­танні явища іонізації газових молекул електричним розрядом в електричному полі.

Як відомо, будь-який газ, як і повітря, є скупченням молекул, які руха­ються безладно. Частина цих молекул внаслідок різних причин – дії світла (ультрафіолетових променів), високої температури, випромінювання радіоак­тивних речовин тощо – іонізується. Якщо такий газ, що містить деяку кількість носіїв зарядів, помістити між електродами, приєднаними до джерела струму високої напруги, то іони та електрони під дією електричного поля почнуть рухатися в газі силовими лініями поля. Напрямок руху кожного носія визна­чатиметься його знаком, а швидкість руху – напруженістю електричного поля. Чим сильніше поле, тим більшого прискорення набувають іони та електрони під час руху. Якщо напруженість поля достатньо велика, носій заряду набуває такої швидкості, що, під час стикання на своєму шляху з нейтральною газовою молекулою, здатний вибити з неї один або декілька зовнішніх електронів, пере­творюючи нейтральну молекулу в позитивний іон та електрон. Новоутво­рені заряди під час руху також іонізують газ. Унаслідок цього утворення іонів від­бувається лавиноподібно і газ повністю іонізується. Таку іонізацію назива­ють ударною. Число іонів та електронів різко зростає, і вони заповнюють весь прос­тір між електродами, внаслідок чого створюються умови для виникнення елект­ричного розряду. З подальшим збільшенням напру­женості електричного поля можливе проскакування іскор, а потім електричний пробій та коротке замикання електродів. Щоб запобігти цьому, створюють неоднорідне електрич­не поле роз­міщенням електродів у вигляді дроту, натяг­неного за віссю труби (рис. 1.56, а), або дроту, натягненого між паралельними пластинами (рис. 1.56, б).

Можна довести, що, наприклад, для електродів у вигляді дроту і труби напруженість електричного поля становить:

, (1.126)

де ΔU – різниця потенціалів; r – відстань від осі до будь-якої точки; R і r_о – радіус відповідно труби і дроту.

Тобто напруженість електричного поля є тим більшою, чим менша відстань до дротяного електрода. За деякої різниці потенціалів напруженість електрич­ного поля біля центрального електрода досягає критичної величини і від­бувається іонізація газу. Однак електричний розряд не поширюється до другого електрода. Із зростанням відстані від центрального електрода напруженість поля спадає, і швидкість руху електронів стає недостатньою для підтримання лавиноподібного процесу утворення нових іонів. Електричний розряд такого незавершеного характеру називають коронним розрядом, зовнішніми проявами якого є слабке блакитно-фіолетове свічення біля дроту, негучне потріскування і запах окислів азоту та озону (для атмосферного повітря). Коронний розряд (або корона) залежно від знака заряду може бути позитивним або негативним. В електрофільтрах використовують тільки нега­тивну корону, яка має деякі пере­ваги під час електричної очистки газів.

а б

Рис. 1.56. Розміщення електродів для створення неоднорідного електричного поля:

а – електрод у центрі труби;

б – електроди між паралельними пластинами

Електрод, біля якого виникає коронний розряд, називають коронуючим, а другий – осаджувальним.

Для створення електричного поля, яке було б здатним створювати корон­ний розряд між електродами, останні під’єднують до джерела постійного стру­му високої напруги.

Під час виникнення корони у газовому проміжку між електродами відбу­ваються такі явища. У зоні корони, тобто біля центрального електрода внаслі­док ударної іонізації виникають іони обох знаків і вільні електрони. Під дією електричного поля позитивні іони притягуються до коронуючого електрода (у разі негативної корони) і на ньому нейтралізуються; вільні електрони утворю­ють з газовими молекулами негативні іони, які рухаються у напрямку до позитивного електрода і нейтралізуються на ньому. У цей час, через простір між електродами протікає струм, який називають струмом корони. Із збільшен­ням напруги, яка подається на електроди, струм корони зростає, відповідно збільшується напруженість поля у просторі між електродами. Але напру­женість не повинна перевищувати деякої величини, за якої здійснюється іскровий або дуговий розряд у всьому просторі між електродами, тобто настає “пробій” міжмолекулярного простору.

Коли іони та вільні електрони рухаються до відповідних електродів, вони стикаються із зустрічними частинками пилу та краплинками, які містяться в газі, надають останнім свій заряд, внаслідок чого частинки теж рухаються до електродів, осаджуються на їхній поверхні та віддають свій заряд електроду. Переважна маса зважених у газі частинок пилу або туману здобуває негатив­ний заряд внаслідок того, що рухоміші негативні іони та електрони проходять довший шлях від “корони” до осаджувального електрода, ніж позитивні іони. Відповідно більша ймовірність їхнього стикання зі зваженими в газі частин­ками. Тільки незначна кількість частинок пилу або туману, які здобувають позитивний заряд у межах “корони”, осаджується на коронуючому електроді. Після того, як негативно заряджені частинки віддають свій заряд осаджуваль­ному електроду, вони видаляються з електрофільтра.

Ступінь очистки газу в електрофільтрі значно залежить від електропро­відності пилу. Чим краще частинки проводять струм і чим слабкіші сили адгезії, тим швидше вони віддають заряд електроду. Якщо пил погано прово­дить струм, то частинки притискаються силою поля до електрода і утворюють на ньому щільний шар негативно заряджених частинок. Цей шар відштовхує частинки цього ж знака, які під дією електричного поля продовжують перемі­щуватися з газового потоку до осаджувального електрода. Тобто електризо­ваний пристінковий шар протидіє основному електричному полю. Напруга в порах шару може перевищити критичну величину, внаслідок чого виникає коронування газу біля осаджувального електрода з утворенням “зворотної корони”. Це явище значно погіршує ефективність очистки газу.

З метою запобігання шкідливого впливу пилу, осадженого на електродах, його видаляють періодичним струшуванням електродів або збільшують провід­ність пилу зволоженням газу перед електрофільтром. Під час зволоження газ охолоджується, тому необхідно слідкувати, щоб його температура не стала меншою, ніж температура точки роси.

Під час експлуатації електрофільтра може виникнути ще одна неприпус­тима ситуація. Якщо газ має значну концентрацію твердих частинок, то більша частина іонів осаджується на частинках, і кількість зарядів, що переносяться полем, істотно зменшується. Це призводить до зменшення сили струму, оскіль­ки швидкість зважених частинок (0,3–0,6 м/с) значно менша від швидкості іонів (60–100 м/с). Коли сила струму зменшується до нуля, ступінь очистки газу різко погіршується – відбувається повне “запирання корони”. У цьому випадку з метою уникнення падіння сили струму зменшують концент­рацію зважених частинок у газі, встановлюючи перед електрофільтрами додат­кову газоочищувальну апаратуру, або зменшують швидкість запиленого газу.

Електрофільтри працюють тільки на постійному струмі, оскільки у разі змінного струму заряджені частинки рухаються імпульсами то в один, то в інший бік і можуть бути винесені з апарата раніше, ніж встигнуть досягти поверхні осаджувального електрода.